采用双膜法深度处理回用有机废水的实验研究.docx
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采用双膜法深度处理回用有机废水的实验研究
采用双膜法深度处理回用有机废水
的实验研究
摘要:
本文针对某有机化工厂排放的二级处理废水的特点,对实际排放污水进行中试实验,采用曝气生物滤池进行三级处理,经济有效地去除废水中的部分悬浮物、BOD、COD、油等后,经过超滤膜过滤,进一步降低水中的悬浮物、胶体和大分子有机物,使出水的满足反渗透膜的进水要求,再经过反渗透膜脱盐处理,使出水达到并优于工艺用新鲜水的标准,回用到生产工艺中去。
在中试实验中,验证回用工艺的可行性和合理性,并对工艺系统的运行参数进行优化,以保证超滤和反渗透系统安全可靠地运行,为大规模回用水工程奠定基础。
关键词:
曝气生物滤池;超滤;反渗透;双膜法回用
1实验目的与意义
某有机化工厂为配合国家工业用水回用目标,根据能源综合利用、节水和水污染治理的整体思路,拟对有机废水处理后的排污水进行深度处理,使其能够达到工业用新鲜水的标准。
其排放污水的突出特点是COD、硬度、含盐量较高,浊度偏高,并含BOD和氨氮。
如何在最经济的条件下,达到最佳的处理效果,针对该水源的水质状况及回用水的要求,采用实际排放水样,进行现场处理中试实验,验证回用工艺的可行性和合理性,确定主要工艺参数的最佳范围,为大规模回用水工程的实施奠定基础。
根据工程经验,并参考国外类似工程的设计思路,拟采用曝气生物滤池(BAF)+超滤(UF)+反渗透(RO)膜分离技术对污水进行深度处理回用,以达到回用水的要求。
类似于上述有机工业废水的回用技术,在中试装置建设中,国内还没有采用上述工艺流程的先例。
所以本次中试实验对验证这种新型回用工艺的可行性和合理性,摸索有价值的实验数据,为工业废水回用工程探索一条全新的工艺路线意义重大。
曝气生物滤池(BAF)目前在国内的应用尚处于起步阶段,根据其工艺特点,并分析研究适合有机废水的特点,提出合理的工艺设计方法和运行控制条件,对工艺优化和促进应用很有必要。
曝气生物滤池(BAF)借鉴了污水处理中的生物接触氧化法和给水处理中的快滤池的设计思路,集曝气、过滤为一体,并具有定期气水反洗的功能。
它通过过滤、吸附和生物代谢来实现对废水的净化。
BAF具有以下特点:
(1)有机负荷高,处理能力大。
BAF通过采用高比表面积、易挂膜的细颗粒滤料及曝气为微生物的生长提供更好的条件,其单位体积内的生物量可达10~15g/L,因而其容积负荷远远高于传统工艺,处理能力更大,同时由于其填料对污水中SS及脱落生物膜的高效截留作用,无需二沉池,因而减少了池容和占地,降低了造价。
一般而言,BAF的占地和一次性直接投资通常分别为传统工艺的10~50%和75%左右〔1〕;
(2)除污能力强,出水质量高。
由于BAF特殊的结构和运行方式,其中生物膜将呈现出优势菌种在不同空间位置上的“生态分布”特征,使其同时具有有机物去除、硝化和反硝化等多种功能。
(3)工艺流程短,氧利用率高,维护管理方便,处理成本低,一般为传统工艺的80%〔2〕;(4)对进水的预处理要求较高,尤其是对BOD浓度和SS浓度有较严格的要求,多适用于处理SS≤60~100mg/L的低进水浓度污水的处理。
膜处理技术自十九世纪五十年代问世以来,在研究制造、应用领域获得了极大的发展,在各行业中得到了日益广泛地运用。
在工业发达国家,膜处理技术在水处理工艺中的应用已十分成熟。
其中,超滤膜因其具有相态不变、无需加热、所用设备简单、占地面积小、能量消耗小、操作压力低、对泵及管阀件等材料要求低等特点开始广泛应用于电子、电泳漆、饮料、食品化工、医药、医疗用人工肾、环保废水处理及废水回收利用等各个领域。
尽管超滤膜的应用是近三十年的事,应用历史不长,但因其具有的独特优点,它已经成为当今世界上膜分离技术领域中独树一帜的重要单元操作技术。
为了确定实际运行中的预处理方法、相关运行参数以及在进行预处理后进入反渗透膜的安全性,保证实际工程实施后的正常运行,采用对实际出水回用处理过程进行连续化操作的中试实验研究是非常必要的。
实验主要分为三部分:
曝气生物滤池系统的运行实验、超滤系统运行实验和反渗透系统运行实验。
实验中详细考察了在此水质情况下BAF的相关运行参数如水力负荷、曝气量、反洗频率等是否能满足工艺要求;超滤膜的相关运行参数如反冲洗频率、化学清洗周期,膜的透水率、循环流率及产水水质、水量和压力的衰变过程;超滤后进入反渗透膜的安全性等;反渗透系统的脱盐率、产水量与运行压力的变化及化学清洗周期等能否满足设定的要求。
注:
本文中未经说明处水流量均采用吨/小时(t/h),压力均采用兆帕(MPa),浊度单位均采用NTU,时间均采用小时(h)为单位。
2实验方法与实验装置
2.1废水来源与水质指标
实验用水来自某有机化工厂二级处理排放的工业废水,根据该厂的生产工艺,其主要废水来源为生产醋酸乙烯过程中的生产废水、冲洗废水和循环水排放水等。
上述废水经过二级处理后的主要指标见表1。
表1原水水质指标分析结果
序号
名称
单位
数据
1
pH
7.7~8.3
2
温度
℃
20~40
3
SS
mg/L
15~70
4
CODCr
mg/L
40~150
5
电导率
μs/cm
1250~1860
2.2实验工艺
为了降低原水中COD、BOD、悬浮物、胶体及细菌含量,去除水中的大分子有机物等杂质,达到反渗透膜的进水要求,其工艺流程图如下:
2.3实验装置
实验装置主要包括:
曝气生物滤池、超滤装置和反渗透装置。
2.3.1曝气生物滤池
曝气生物滤池(BAF)采用降流式。
由给水泵、滤池、罗茨风机和反洗泵组成。
填料采用1.5~3.5mm的陶粒滤料。
采用BAF的主要目的是降低排放废水的水质波动性,保证后续超滤(UF)和反渗透(RO)装置的正常运行。
BAF的出水水质主要指标见表2。
表2BAF出水水质指标分析结果
序号
名称
单位
数据
1
pH
7.7~8.3
2
温度
℃
20~40
3
SS
mg/L
8~32
4
CODCr
mg/L
22~97
5
电导率
μs/cm
1250~1860
2.3.2超滤装置
本系统的原水为BAF的出水,水中的有机物、胶体、细菌、藻类等含量相对于UF膜的进水要求来说,相对较高。
传统的反渗透预处理工艺一般采用絮凝+凝聚、沉降、杀菌、砂滤、活性炭过滤等工艺过程,不能阻挡溶解性有机物、细菌,特别是透明状态的胶体物质,而这些物质会造成反渗透膜表面的严重污染或进水渠道的堵塞,最终造成反渗透系统泵功率损耗增大,反渗透膜清洗频繁,且经过繁杂的清洗过程不能有效恢复膜的产水通量。
而采用超滤(UF)作为反渗透的预处理,系统设计简单且出水水质稳定,不易受原水水质波动的影响。
超滤还对水中的悬浮物、金属氧化物、胶体、有机物、细菌等均有较好的去除效果,可完全满足反渗透系统进水水质的要求。
本次实验采用的超滤膜元件为中空纤维式的超滤膜,其截留分子量为100000。
进超滤膜前配有100μm的保安过滤器,以防止大颗粒杂质对膜孔的永久性堵塞。
超滤还配有自己的化学清洗系统。
UF的出水水质主要指标见表3。
表3UF出水水质指标分析结果
序号
名称
单位
数据
1
pH
7.7~8.1
2
温度
℃
20~40
3
SDI
mg/L
2~4
4
CODCr
mg/L
15~50
5
电导率
μs/cm
1250~1860
2.3.3反渗透装置
反渗透装置包括给水泵、保安过滤器、系统泵、反渗透膜组件及加药和清洗系统。
反渗透脱盐过程的实现必须外界施加大于溶液渗透压的压力。
系统泵是为了给反渗透膜组件提供足够的进水水量和压力,以使反渗透过程发生,维持反渗透过程的正常运行。
反渗透膜组件是反渗透系统的“心脏”,其作用是去除待处理水中的可溶性盐分、胶体、有机物及微生物,脱盐率一般大于95%。
反渗透膜组件采用TFC膜元件。
原水虽然经过了处理达到了进反渗透膜的供水条件,但在运行过程中,可能存在的一些不可预测因素,如:
不正常工况、浓差极化及可能的误操作等原因,反渗透膜运行一段时间后,还是有可能受到污染时,停机对反渗透膜进行清洗,以恢复反渗透膜的性能。
整套制水系统附加有清洗装置,可方便地对系统各段反渗透膜进行清洗。
2.4实验步骤
2.4.1BAF运行实验
在实际运行实验过程中,BAF的相关运行参数:
进水量、曝气量、反洗气量和反洗水量以及运行周期均已设定,主要根据来水的SS、COD的变化验证其出水的稳定性,对其出水的SS、COD的变化曲线进行跟踪。
主要测定指标:
BAF进出水的SS和COD。
2.4.2UF运行实验
在实际运行实验过程中,主要通过调节超滤装置的进水和循环水的水量及压力测得超滤膜用于工业废水运行过程中的有关参数:
进水、循环、反冲洗的水量和压力的衰变曲线,反冲洗、化学清洗的所需周期与时间。
主要测定指标:
SDI、超滤系统的进水、产水和反冲洗水的水量,运行压力。
2.4.3RO运行实验
在实际运行实验过程中,主要测得反渗透膜用于工业废水运行过程中的有关参数:
进水和出水的水量及压力的衰变曲线。
主要测定指标:
电导率,反渗透系统的进水、出水水量,运行压力。
3实验数据及结果分析
实验过程主要可以分为三步:
BAF系统运行实验、UF系统运行实验、RO系统运行实验。
3.1BAF运行实验
BAF进出水的COD、SS的数据如下表4所示。
表4BAF进出水COD、SS数据表(单位:
mg/L)
取样序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
进水COD
97
43
88
52
56
109
93
88
90
进水SS
19
18
12
56
32
22
38
31
27
出水COD
25
22
28
22
26
83
74
59
78
出水SS
12
13
15
13
32
13
22
23
24
图1BAF进出水COD、SS的变化曲线
从上述数据和图表中可以看出BAF对COD、SS的去除率非常显著,平均在40%以上,BAF的运行参数能够满足废水处理的要求。
但从其中个别数据的SS和COD变化的不稳定也同样能得出BAF在反洗后有一个恢复期,在此期间对出水有一定的影响。
3.2UF运行实验
3.2.1超滤膜运行中的相关参数
在实际运行实验的过程中,主要通过调节超滤装置的进水、产水及压力,测得超滤膜用于污水运行过程中的有关参数:
进水的水量、水质和压力的衰变曲线。
主要的测定指标:
原水、超滤膜前水样的电导率、原水水量,超滤系统的进水、产水水量和压力。
主要从产水的水量和水质两方面来进行讨论。
3.2.2反冲周期实验
反冲周期实验,共设置了两个反冲周期:
一、每运行30分钟反冲洗一次,
反冲时间1.0分钟;二、每运行30分钟反冲洗一次,反冲时间2.0分钟。
分别选取水质、水量、操作条件基本相近的但反冲时间不同的两天进行实验
比较,其实验结果如下图表所示:
表5
(1)产水水量与运行时间的关系(反冲1分钟)
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
运行时间(h)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
反冲前产水量1(t/h)
9.2
8.7
8.4
8.3
8.1
8
8.4
8.2
8.18
反冲后产水量1(t/h)
8.4
8.8
8.6
8.36
8.3
8.4
8.6
8.4
8.26
表5
(2)产水水量与运行时间的关系(反冲2分钟)
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
运行时间(h)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
反冲前产水量2(t/h)
8.18
8.3
8.6
8.4
8.2
8.4
8.4
8.6
8.4
反冲后产水量2(t/h)
8.8
9.0
9.0
8.8
8.6
8.8
8.8
8.9
9.0
图2UF反洗时间与产水量的变化曲线
注:
产水水量1:
反冲1分钟,反冲前产水水量,产水水量2:
反冲1分钟,反冲后产水水量,
产水水量3:
反冲2分钟,反冲前产水水量,产水水量4:
反冲2分钟,反冲后产水水量。
由图表可以得到以下结论:
1)在反冲时间为1.0分钟时,周期为30分钟,反冲之后产水水量基本能够恢复到8.4吨/小时左右,反冲之前产水水量不太稳定但基本可维持在8.2吨/小时。
反冲时间为2.0分钟,周期为30分钟,反冲之后水通量可维持在较高的水平。
综上,反冲实验时间为1.0分钟和2.0分钟,均能满足超滤膜的正常运行要求,其中2.0分钟的反冲时间即可保证超滤膜长期稳定的运行,延长化学清洗周期,故实验采用反冲洗时间为每次2分钟。
2)超滤膜运行中的相关参数
在实际运行实验的过程中,主要通过调节超滤装置的进水、产水及压力,测得超滤膜用于污水运行过程中的有关参数:
进水的水量、水质和压力的衰变曲线。
主要的测定指标:
原水、超滤膜前水样的电导率、SDI值、原水水量,超滤系统的进水产水的水量和压力。
主要从产水的水量和水质两方面来进行讨论。
3.2.3产水水量
对于本超滤膜是否能作为反渗透系统的预处理过程,从超滤膜的产水水量方面来看,应当有比较稳定的产水水量,以便于整个设备的宏观设计和运行操作过程的控制。
为考察本超滤膜的产水水量是否符合工程应用的要求,进行超滤膜的产水水量与运行时间关系的实验,取运行360小时的数据。
表6产水水量和运行时间的关系(水量单位为t/h,时间单位为h)
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
时间
0
1
4
8
12
20
25
30
41
反冲前水量
11.5
11.3
11
10.5
10.1
10
9.5
8.8
8
反冲后水量
12.4
12.1
11.9
11.4
11
10.9
10.4
9.6
8.9
序号
10
11
12
13
14
15
16
17
18
时间
50
61
72
83
94
103
110
117
124
反冲前水量
8.5
9.5
10.3
10.8
8
7.3
6.1
6.6
7.5
反冲后水量
9.4
10.4
11.1
11.6
8.9
8.1
7
7.5
8.4
序号
19
20
21
22
23
24
25
26
27
时间
130
137
144
150
157
164
170
177
184
反冲前水量
8
8.3
7.8
8.5
8.3
8.5
8.3
8
7.8
反冲后水量
8.9
9.1
8.6
9.4
9.1
9.4
9.1
8.9
8.6
序号
28
29
30
31
32
33
34
35
36
时间
190
197
204
210
217
224
230
237
243
反冲前水量
8
8.5
7.8
7.3
8.5
9
8.9
8.6
8.3
反冲后水量
8.9
9.4
8.6
8.1
9.4
9.9
9.8
9.5
9.1
序号
37
38
39
40
41
42
43
44
45
时间
250
256
263
269
276
282
289
295
302
反冲前水量
8.5
8
7.8
7.9
8
8.5
8.4
8
8.5
反冲后水量
9.4
8.9
8.6
8.8
8.9
9.4
9.3
8.9
9.4
序号
46
47
48
49
50
51
52
53
54
时间
308
315
321
328
334
341
347
354
360
反冲前水量
8.4
8.5
8
7.8
7.9
8
8.5
8.4
8
反冲后水量
9.3
9.4
8.9
8.6
8.8
8.9
9.4
9.3
8.9
通过对实验所获得的数据进行分析,由于超滤膜的压实效应,在超滤膜刚开始运行时,产水水量迅速下降,超滤膜经过一定迅速衰减期和相应于处理后,产水水量即使随着时间的积累不断地降低,经过超滤产水反冲洗和化学清洗,超滤膜的产水量仍然能够重新恢复到8.5吨/小时以上。
图3UF反冲洗前后产水量的变化曲线
注:
产水量1为反冲洗前的水量;产水量2为反冲洗后的水量;序号1-50为0-360小时的时间
3.2.4产水水质
在整个运行实验期间,主要监测了原水、膜前和产水的SDI、COD、电导率指标,再次根据这两项在实验中的变化规律对超滤膜产水能力及其变化进行讨论。
3.2.5SDI
表7SDI与运行时间的关系
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
时间
0
1
4
8
12
20
25
30
膜后SDI
0.68
0.96
1.92
1.03
0.63
0.46
0.93
1.18
序号
9
10
11
12
13
14
15
16
时间
41
50
61
72
83
94
103
110
膜后SDI
0.91
1.24
0.86
1.09
1.13
0.79
1.45
1.04
序号
17
18
19
20
21
22
23
24
时间
117
124
130
137
144
150
157
164
膜后SDI
1.0
1.23
0.88
0.93
1.03
1.45
1.23
0.78
序号
25
26
27
28
29
30
31
32
时间
170
177
184
190
197
204
210
217
膜后SDI
0.87
0.99
0.68
1.02
1.35
0.84
0.97
1.2
序号
33
34
35
36
37
38
39
40
时间
224
230
237
243
250
256
263
269
膜后SDI
1.22
0.83
1.5
1.72
0.77
1.01
1.38
0.56
序号
41
42
43
44
45
46
47
48
时间
276
282
289
295
302
308
315
321
膜后SDI
1.4
2
2.1
2.5
2.1
2.4
2.3
2.1
序号
49
50
51
52
53
54
55
56
时间
328
334
341
347
354
360
367
373
膜后SDI
0.5
1.07
0.99
0.87
1.20
1.02
0.88
0.91
序号
57
58
59
60
61
62
63
64
时间
380
387
393
400
407
413
419
426
膜后SDI
0.45
0.89
1.3
0.83
0.78
0.95
2.01
1.32
序号
65
66
67
68
69
70
71
72
时间
432
439
445
452
459
466
473
480
膜后SDI
0.98
0.88
0.75
1.85
1.09
1.33
0.78
0.94
注:
膜后SDI值为15分钟的SDI值。
由以上数据可知,在超滤系统实际运行中,超滤产水的SDI值均能满足反渗透系统的进水指标,小于4。
3.2.6电导率
在超滤系统运行的过程中,检测了原水、超滤前、超滤产水的电导率在全程运行实验中,超滤膜降低原水的电导率作用不是很明显,电导率的去除主要依靠反渗透系统。
本套系统的预处理+超滤目的是为了使水质达到反渗透进水的要求,由于反渗透对COD没有过高的要求,故本实验对COD的监测只作为本套设备实验的参考数据。
通过较长时间实验,发现该工艺可以有效降解此水源中的COD。
3.2.7结论
通过对于以上超滤运行水质水量相关数据的总结可以看出在360个小时的运行过程中,经历了总排水口污水的水质波动变化,该系统仍能够稳定运行。
目前该系统还在稳定运行中。
从整个中试装置的运行来看,超滤系统在30多小时迅速产水水量的衰减期后,系统一直处于持续稳定运行状态,产水量达到超滤膜的原设计额定产水量(8.5t/h);而且出水水质也完全符合反渗透的进水条件。
3.3反渗透系统运行实验
在实际运行实验过程中,主要测得反渗透膜用于某石化厂污水回用的运行过程中的有关参数;进水和出水的水量及压力的衰变曲线。
主要指标:
电导率、反渗透系统的进出水水量和进出水压力。
3.3.1产水水量
在系统运行的过程中,监测了反渗透膜的产水量。
单位(t/h)
表8产水水量与运行时间的关系
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
时间
15
17
19
25
28
29
30
35
通量
5.21
5.23
5.32
5.30
5.23
5.22
5.25
5.20
序号
9
10
11
12
13
14
15
16
时间
44
47
53
62
68
74
77
79
通量
5.24
5.20
5.26
5.34
5.30
5.22
5.23
5.20
序号
17
18
19
20
21
22
23
24
时间
83
89
92
98
104
110
113
122
通量
5.25
5.19
5.21
5.23
5.25
5.21
5.22
5.16
序号
25
26
27
28
29
30
31
32
时间
134
137
143
146
149
158
167
174
通量
5.21
5.21
5.21
5.21
5.21
5.21
5.22
5.21
序号
33
34
35
36
37
38
39
40
时间
194
206
214
226
237
245
273
290
通量
5.20
5.20
5.20
5.20
5.21
5.19
5.20
5.19
序号
41
42
43
44
45
46
47
48
时间
317
323
345
356
378
389
390
393
通量
5.18
5.19
5.19
5.19
5.20
5.19
5.19
5.15
序号
49
50
51
52
53
54
55
56
时间
419
425
427
429
431
433
435
437
通量
5.15
5.15
5.15
5.16
5.19
5.19
5.19
5.20
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- 采用 双膜法 深度 处理 有机 废水 实验 研究